Utilize este identificador para referenciar este registo: http://hdl.handle.net/1822/49575

TítuloDrag models for particle suspensions in viscoelastic fluids
Autor(es)Ribeiro, Ricardo André Sousa Marques
Orientador(es)Fernandes, Célio Bruno Pinto
Nóbrega, J. M.
Palavras-chaveOpenFOAM®
Fluído viscoelástico
Coeficiente de arrasto
Velocidade angular
Partícula esférica
Partículas esféricas
Viscoelastic fluid
Drag coefficient
Angular velocity
Spherical particle
Data4-Dez-2017
Resumo(s)Hoje em dia, escoamentos de sistemas multifásicos, compostos por partículas (fase dispersa) dispersas no seio de fluidos (fase contínua), possuem inúmeras aplicações e, consequentemente, elevada relevância industrial. Neste âmbito, dada a complexidade do comportamento daqueles sistemas, a conceção/otimização de processos que os incorporem, é beneficiada pela utilização de ferramentas de modelação numérica adequadas. Em sistemas fluidos multifásicos, em que as partículas da fase dispersa apresentam uma dimensão muito reduzida, não é viável efetuar a simulação direta do escoamento. Nesses casos, é comum empregar métodos onde as fases contínua e dispersa são modeladas de forma euleriana e lagrangiana, respetivamente. Para tal, são necessários modelos de arrasto, que permitam contabilizar a troca de quantidade de movimento entre ambas as fases. Na literatura existem modelos de arrasto adequados para sistemas onde a fase contínua integra fluidos newtonianos, porém, os equivalentes para fluidos viscoelásticos não estão disponíveis. Os modelos de arrasto são normalmente obtidos em estudos do escoamento de fluidos em torno de partículas, que devem considerar tanto partículas isoladas como aglomerados das mesmas. Uma outra questão que ainda não foi estudada de forma sistemática é a necessidade de considerar a rotação das partículas na dedução de modelos de arrasto. Neste trabalho realizaram-se estudos de base numérica adequados ao desenvolvimento de modelos de arrasto para agregados de partículas esféricas, dispersas no seio de fluidos viscoelásticos, onde foi empregue a rotação dessas partículas. Para tal, dado existir a necessidade de efetuar um elevado número de estudo numéricos, foram inicialmente implementados códigos para criar de forma automática a geometria do sistema, que pode integrar tanto partículas individuais como aglomerados das mesmas. Posteriormente, procedeuse à verificação da implementação de uma nova condição fronteira, que permite calcular e simular a rotação de partículas, a qual foi efetuada para um escoamento de corte de uma única partícula no seio de um fluido newtoniano, onde se obtiveram resultados conformes com os existentes na literatura. Adicionalmente, a condição fronteira desenvolvida foi testada para uma partícula em escoamento no seio de um fluido viscoelástico, do tipo Oldroyd-B, e os resultados numéricos obtidos mostraram que a velocidade angular diminui com o aumento da elasticidade, em conformidade com os resultados existentes na literatura. Posteriormente, foram efetuados estudos numéricos que visaram a obtenção da força de arrasto induzida em partículas, considerando escoamentos com fluidos newtoniano e viscoelástico. Os parâmetros estudados foram a fração volumétrica de partículas (4%, 8% e 12%), o número de Deborah (1-4) e a fração de viscosidade polimérica (0.25-0.9). Para assegurar a obtenção de dados abrangentes, os cálculos foram efetuados com diferentes posições de partículas geradas aleatoriamente. Nos estudos com o fluido viscoelástico, do tipo Oldroyd-B, dadas as restrições temporais associadas à realização da dissertação de mestrado, não foi possível finalizar todos os cálculos necessários à obtenção de conclusões finais. Contudo, o estado atual dos cálculos, já permite concluir que a viscoelasticidade apresenta uma influência razoável nos resultados obtidos. Com o aumento do número de Deborah, a força de arrasto é maior. O mesmo acontece com o rácio de retardação onde, para casos semelhantes, os resultados atuais da simulação com rácio igual a 0.75 mostram que a força de arrasto é maior do que no caso com rácio igual a 0.25.
Nowadays, the flow of multiphase systems, comprising particles (dispersed phase) dispersed in a fluid (continuous phase), have numerous applications and, consequently, high industrial relevance. In this context, due to the complexity of the behaviour of those systems, the design/optimization of processes that incorporate them, is benefited by the use of appropriate numerical modelling tools. In multiphase fluid systems, where the particles of the dispersed phase have a very small dimension, it is not feasible to do the direct numerical simulation of the flow. In such cases, it is common to employ methods where the continuous and dispersed phases are modelled in a Eulerian and Lagrangian way, respectively. For this, drag models are required, which allow to account for the exchange of momentum between the two phases. In the literature there are suitable drag models for systems where the continuous phase comprises Newtonian fluids, but the equivalents for viscoelastic fluids are not available. The drag models are usually obtained in studies of the flow of fluids around particles, which should consider both isolated and agglomerated particles. Another issue that has not yet been studied systematically in the literature is the need to consider particle rotation on the development of drag models. In this work, numerical based studies were made to develop drag models for spherical aggregates dispersed in viscoelastic fluids, including sphere rotation. Having this aims in mind, and since there is a need to carry out a large number of numerical studies, scripts were initially implemented to automatically create the system geometry, which can integrate both individual and clusters of particles. Afterwards, the implementation of a new boundary condition, which allows to calculate and model the rotation of particles, was verified in a shear flow for a single particle in a Newtonian fluid. Additionally, the developed boundary condition was tested for a particle flowing in an Oldroyd-B type viscoelastic fluid, and the numerical results obtained showed that the angular velocity decreases with increasing elasticity, which is in accordance with the results found in literature. Subsequently, numerical studies were carried out to obtain the drag force induced by particles, considering flows with Newtonian and viscoelastic fluids. The parameters studied were the volumetric fraction of particles (4%, 8% and 12%), the Deborah number (1-4) and the polymeric viscosity fraction (retardation ratio) (0.25-0.9). To ensure comprehensive data collection, calculations were performed with different, randomly generated, particle positions. In the Oldroyd-B viscoelastic fluid studies, given the time constraints associated with the completion of the master's thesis, it was not possible to finalize all the calculations required to obtain final conclusions However, the current state of the calculations already allows to conclude that the viscoelasticity presents a reasonable influence on the obtained results. As the Deborah number increases, the total drag acting on spheres seems to increase. The same is true for the retardation ratio where, for similar cases, the current simulation results with a ratio of 0.75 show that the total drag acting on the spheres is substantially higher than the calculated drag of the simulation with a ratio of 0.25.
TipomasterThesis
DescriçãoDissertação de mestrado integrado em Engenharia de Polímeros
URIhttp://hdl.handle.net/1822/49575
AcessoembargoedAccess (3 Years)
Aparece nas coleções:BUM - Dissertações de Mestrado Integrado

Ficheiros deste registo:
Ficheiro Descrição TamanhoFormato 
Ricardo André Sousa Marques Ribeiro.pdfTese4,32 MBAdobe PDFVer/Abrir  Solicitar cópia ao autor!

Partilhe no FacebookPartilhe no TwitterPartilhe no DeliciousPartilhe no LinkedInPartilhe no DiggAdicionar ao Google BookmarksPartilhe no MySpacePartilhe no Orkut
Exporte no formato BibTex mendeley Exporte no formato Endnote Adicione ao seu Currículo DeGóis